基于TOPwitchⅡ的單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源有著輸出電壓穩(wěn)定度高，紋渡電壓小的優(yōu)點(diǎn)，是一種極其可靠的電源。但其缺點(diǎn)是電源效率低，需要使用笨重龐大的工頻變壓器。為了找到一種新型的電源，人們

20世紀(jì)60年代發(fā)明了自激振蕩推挽晶體管單變壓器和直流式推挽雙變壓器，從而實(shí)現(xiàn)了高頻轉(zhuǎn)換控制電路，并由此出現(xiàn)了晶閘管(舊稱可控硅)相位控制式開關(guān)電源，而且用分離元件制成了開關(guān)電源，但終因技術(shù)問題，效率不高、開關(guān)頻率很低，而且電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy，難于推廣，其應(yīng)用也受到極大的限制。直到70年代后期，隨著集成電路設(shè)計(jì)與制作技術(shù)的進(jìn)步，大功率硅晶體管耐壓提高、二極管反向恢復(fù)時(shí)間縮短，各種開關(guān)電源專用芯片大量問世，最終去掉了工頻變壓器和低頻濾波電感。由于利用體積很小的高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離，因此大大減小了整機(jī)的體積和重量，同時(shí)也提高了工作效率。

1開關(guān)電源的工作原理

圖l所示是一個(gè)開關(guān)電源的典型電路圖，圖2是其原理框圖。

從圖2可以簡單概述出開關(guān)電源的基本原理：50Hz單相交流220 v電壓經(jīng)過EMI防電磁干擾電源濾波器整流濾波后，再將濾波后的直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百千赫茲的高頻方波或準(zhǔn)方渡電壓，然后通過高頻變壓器隔離并降壓(或升壓)后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。事實(shí)上，通過采樣、比較、放大、控制和驅(qū)動(dòng)電路來控制變換器中功率開關(guān)管的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。

從能量角度分析，由于高頻變壓器初級(jí)繞組Np的極性與次級(jí)繞組Ns、反饋繞組NF的極性相反，因此，當(dāng)TOPSwitch芯片導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)整流管VD2截止，此時(shí)電能以磁能形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中；而當(dāng)TOPSwitch芯片截止時(shí)，Vn2導(dǎo)通，能量將傳輸給次級(jí)。

對于圖1電路，反饋繞組電壓經(jīng)過VD3和CP整流濾波后，將獲得的反饋電壓VFB，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給TOPSwitch芯片的控制端提供偏壓。為了更好的穩(wěn)壓，控制端c的旁路電容由兩個(gè)穩(wěn)壓管和一個(gè)電解電容組成。設(shè)穩(wěn)壓管VDZ2的穩(wěn)定電壓為Vz2，限流電阻R1兩端的壓降為VR，光耦臺(tái)器中LED發(fā)光二極管的正向壓降為VF，那么，輸出電壓V0可表示為：

V0=VZ2+VF+VR

當(dāng)某種原因(如交流電壓升高或負(fù)載變輕)致使V0升高時(shí)，流過LED的電流IF增大，通過光耦合器調(diào)節(jié)使TOPSwitch芯片的控制端電流IC增大。由于TOPSwitch芯片的輸出占空比D與IC成反比，故在D減小時(shí)，會(huì)迫使V0降低，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。反之，D增大，將迫使V0升高，同樣也可達(dá)到穩(wěn)壓的效果。由此可見，反饋電路正是通過調(diào)節(jié)TOPSwiteh芯片的占空比，來使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。

2 TOPswitch-II器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TOPSwitch-Il芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，它主要包括控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、高壓電流源、并聯(lián)調(diào)整器，誤差放大器、振蕩器、門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)、脈寬調(diào)制器、過電流保護(hù)電路、過熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、關(guān)斷，自動(dòng)重啟動(dòng)電路等十部分。

21控制電壓源

控制電壓源主要用于向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏置電壓。它有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)模式。用于啟動(dòng)和過載這兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，用于分離誤差信號(hào)和控制電路的高壓電流源。

2 2帶隙基準(zhǔn)電壓源

帶隙基準(zhǔn)電壓源可向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓，也可以產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償且能調(diào)整的電流源，可用于精確設(shè)定振蕩器頻率和門驅(qū)動(dòng)級(jí)電流。

2．3高壓電流源

在啟動(dòng)或啟動(dòng)之后的調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源可經(jīng)過電子開關(guān)給內(nèi)部電路提供偏置，并對控制端與源極之間的旁路電容進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)，電子開關(guān)改接內(nèi)部電源，并將高壓電流源關(guān)斷。

2．4并聯(lián)調(diào)整器，誤差放大器

并聯(lián)調(diào)整器的作用是當(dāng)加到控制端的反饋電流超過所需電流值時(shí)，通過并聯(lián)調(diào)整器進(jìn)行分流，從而保證控制電壓為5．7 V(典型值)。誤差放大器的同相輸入端接5．7 v精密基準(zhǔn)電壓可作參考電壓；輸出端接一只P溝道場效應(yīng)管，可起緩沖放大作用。反相輸人端接控制極反饋取樣電壓，誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗ZC定。

2 5振蕩器

內(nèi)部振蕩電容在所設(shè)定的上、下閾值電壓之間周期性的充、放電，可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制所需要的鋸齒波、最大占空比信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。振蕩器的固定頻率為100 kHz。通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電流可提高頻率準(zhǔn)確度。

2．6脈沖寬度調(diào)制器

脈寬調(diào)制器是電流反饋式控制電路。流入控制極的電流在電阻RE兩端產(chǎn)生壓降，并經(jīng)Rc低通濾波后，可以濾掉開關(guān)噪聲電壓，然后輸入到PWM控制器的同相端與振蕩器輸出的鋸齒波電壓相比較，從而產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。脈寬調(diào)制信號(hào)通過與門、或門之后?？蓪⒂|發(fā)器置零，以使Q=0并把MOSFET關(guān)斷；而時(shí)鐘信號(hào)再把觸發(fā)器置1，Q=1，從而又使MOSFET導(dǎo)通，由此即可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制信號(hào)的功率輸出。此外，時(shí)鐘信號(hào)還起到同步作用。PwM控制器的輸出脈沖寬度與控制極電流Ic成反比，用該信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET管可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。

2 7關(guān)閉，自動(dòng)重啟動(dòng)功能

為了減少TOPSwitch-Ⅱ芯片的功耗，在電路超過調(diào)整狀態(tài)時(shí)(即調(diào)節(jié)失控)，關(guān)斷，自動(dòng)重啟動(dòng)電路會(huì)立即以5％的占空比接通和關(guān)斷電源，故障排除后，控制電壓又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，此后自動(dòng)重啟動(dòng)電源恢復(fù)正常工作。自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率為1.2Hm。

3精密復(fù)合式雙路輸出開關(guān)電源電路

雖然開關(guān)電源已經(jīng)表現(xiàn)出十分優(yōu)越的性能，但與同功率的線性電源相比，其輸出直流電壓的紋渡含量還是大的多。為了降低開關(guān)電源的紋波含量，可以把單片開關(guān)電源當(dāng)作前級(jí)穩(wěn)壓器，用其輸出直流電壓為線性集成穩(wěn)壓器供電，再進(jìn)一步穩(wěn)壓，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，以構(gòu)成理想的高效精密穩(wěn)壓電源。

圖4所示是一種實(shí)用的精密復(fù)合式雙路輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)圖，圖5是其具體電路。該電路方案它具有輸出紋波電壓低、效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

此例是一個(gè)+5 v和+3.3 v的雙路輸出開關(guān)電源。若主輸出U01為+5 v，輔輸出U02為+3.3 V，則可作為激光打印機(jī)、監(jiān)視器的電源。若將+3 3 v設(shè)計(jì)成主輸出，+5 v作為輔輸出，即可作為筆記本電腦的開關(guān)電源。為提高+3．3 v輸出電壓的穩(wěn)定度，在輸出端還可增加一片可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431。該電源的基本參數(shù)如下；

(1)固定輸入：220V±15％；

(2)雙路輸出電壓U01：+5 V／I.5A；U02：+3.3V/0．4 A：

(3)輸出功率P0：15w;

(4)交流輸入電壓最小值VACmin:195 v；

(5)交流輸人電壓最大值VACmax:265 v；

(6)網(wǎng)頻率fL：50Hz；

(7)開關(guān)頻率f：100 kHz；

(8)損耗因數(shù)Z：典型值0．5 (代表次級(jí)損耗與總損耗的比值)。

4 結(jié)束語

單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最優(yōu)性能指標(biāo)等特點(diǎn)。本文介紹的雙路輸出精密復(fù)合式開關(guān)穩(wěn)壓電源采用TOPSwiteh-器件作為前級(jí)穩(wěn)壓器，來給低壓差線性穩(wěn)壓器LTl528和TPS79133提供直流輸人電壓，然后利用低壓差線性穩(wěn)壓器獲得高質(zhì)量的穩(wěn)壓輸出。由于兩路輸出分別為+5 v和+3.3 v，所以，該實(shí)例既可以做激光打印機(jī)、監(jiān)視器的電源，也可以做筆記本電腦的開關(guān)電源。該復(fù)合式開關(guān)電源采用了較新的電路結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了開關(guān)電源輸出紋波較大和線性電源體積大、功耗大的不足，因而具有一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。